两轮机器人自平衡研究
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两轮自平衡机器人的研究共3篇两轮自平衡机器人的研究1两轮自平衡机器人的研究近年来,随着人工智能技术的不断发展,机器人正逐渐成为人类生活中的重要组成部分。
而作为机器人中的一种,两轮自平衡机器人的研究也日趋成熟。
本文将对两轮自平衡机器人的研究现状、原理、应用等方面进行介绍。
一、两轮自平衡机器人的研究现状两轮自平衡机器人可以追溯到20世纪80年代,当时研究者Christopher C. H. Kwan在其博士论文中首次提出了实现两轮自平衡的方法。
随着控制技术、电机技术、计算机技术等方面的发展,两轮自平衡机器人的研究也越来越广泛。
目前,两轮自平衡机器人的研究主要涉及控制策略、动力学建模、轨迹规划等方面。
控制策略是两轮自平衡机器人研究中的核心问题,目前主要有PID控制、模糊控制、神经网络控制等方法。
其中,PID控制是最基本的控制方法之一,能够实现较好的稳定性和鲁棒性。
而模糊控制则可以处理非线性系统和模棱两可的问题,有较好的实用价值。
神经网络控制则是利用神经元之间相互连接的方式,模拟人类大脑进行控制,有很高的容错性和自适应性。
动力学建模是对机器人的运动学和动力学模型进行建立,可以为控制策略的设计提供基础。
在两轮自平衡机器人研究中,采用的动力学模型主要有倒立摆模型和悬挂模型。
倒立摆模型是将两轮机器人抽象成一个质点和一个竖直平衡的杆,通过对杆的转动来实现机器人的前后倾斜。
悬挂模型则是将两轮机器人视为一根绳子和一个质点,通过调整绳子的张力来实现机器人的前后倾斜。
轨迹规划主要是将机器人的控制信号转化成轨迹点的位置和速度,以确保机器人能够按照指定的轨迹进行运动。
在两轮自平衡机器人研究中,轨迹规划的方法主要包括PID控制目标规划、工具函数法、动态规划等。
二、两轮自平衡机器人的原理两轮自平衡机器人的原理主要基于倒立摆理论,即通过控制机器人前后倾斜的角度,使机器人能够保持平衡。
两轮自平衡机器人的结构一般包括电机、减速器、编码器、惯性测量单元等部件。
摘要近年来,两轮自平衡机器人的研究取得了快速的发展,两轮自平衡小车的动力学系统是一种多变量、非线性、强耦合的系统,是检验各种控制方法的典型装置。
同时由于它具有体积小、运动灵活、零转弯半径等特点,必将会在军用和民用领域有着广泛的应用前景。
本文主要介绍了基于Freescale MC9S12XS128单片机为控制核心的两轮自平衡小车系统,以验证经典的PID控制在动态平衡系统上的控制效果。
在该系统上,姿态传感器采用MPU6050,单片机在采集到姿态数据后,采用Kalman滤波器对得到的数据进行融合,并在此基础上分析不同滤波方法的效果。
借助增量式PID控制PWM的输出和利用TB6612FNG控制电机的转向以及转速,从而实现了小车的自平衡控制。
关键词:两轮自平衡系统; Kalman滤波;数据融合; HCS12; MPU6050 .Design and implementation of two-wheeled self-balancing vehicleAbstractIn recently years, the research of two-wheeled self-balancing robot has made a rapid development, the dynamics system of two-wheeled self-balancing vehicle is a multivariable, nonlinear, strong coupling system, and also ,it’s a typical devices to test a variety of control methods. Because of it has a small, flexible movement and zero turning radius. It will have a wide range of applications in military and civilian fields.In the article, it describes the Freescale MC9S12XS128 microcontroller-based control of two-wheeled self-balancing vehicle system to verify the classic PID control system in the dynamic balance . On this system, It used MPU6050 as the car state sensing system, and it used the Kalman filter to fuse the obtained angle data, and analyzed the effect of different filtering methods based on this. With incremental PID control PWM output and use TB6612FNG steering and speed control motors, enabling the car's self-balance control finally.Keywords: two-wheeled self-balancing system; the Kalman filter;HCS12;MPU6050目录摘要 (1)第1章绪论 (5)1.1 两轮自平衡机器人概述 (5)1.2 两轮自平衡机器人的发展 (5)1.3 方案论证及选择 (6)1.4 关键技术及目标 (7)1.4.1 姿态数据处理 (7)1.4.2 控制算法的实现 (8)1.4.3 目标 (8)第2章两轮自平衡小车的原理 (9)2.1 小车的直立控制 (9)2.2 倾角与角速度的测量 (13)2.3 本章小结 (13)第3章电路设计 (14)3.1 整体电路框图 (14)3.2 电源电路 (15)3.3 单片机最小系统 (16)3.3.1 S12单片机简介 (16)3.3.2 MC9S12XS128最小系统电路 (16)3.4 MPU6050 (17)3.4.1 MPU6050简介 (17)3.4.2 I2C通信 (18)3.5 电机驱动电路 (18)3.5.1 驱动芯片介绍 (18)3.5.2 驱动电路设计 (19)3.6 速度传感器电路 (20)3.6.1 光电编码器介绍 (20)3.7 无线遥控电路 (20)3.7.1 Pt2262简介 (20)3.7.2 Pt2262应用 (21)3.8 液晶显示电路 (22)3.8.1 LCD1602简介 (22)3.8.2 LCD1602电路 (22)3.9 车模控制电路全图 (23)3.10 本章小结 (25)第4章系统软件设计 (26)4.1 控制算法介绍 (26)4.2 S12单片机初始化 (27)4.2.1 锁相环初始化 (27)4.2.2 PWM模块初始化 (27)4.2.3 串行通信初始化 (27)4.2.4 外部中断初始化 (28)4.3 PID控制的实现 (28)4.4 姿态数据处理 (28)4.4.1 角度计算函数 (28)4.4.2 滤波方法分析与选择 (28)4.5 小车的运动控制 (32)4.6 无线遥控 (32)4.7 本章小结 (32)第5章系统调试 (34)5.1 软件调试工具 (34)5.2 系统调试工具 (34)5.3 系统硬件电路调试 (34)5.4 姿态检测模块调试 (34)5.5 Kalman滤波器参数的整定 (36)5.6 PID参数的整定 (36)5.7 本章小结 (37)第6章总结 (38)6.1 总结与展望 (38)参考文献 (40)附录 (42)附录一系统主控板 (42)附录二系统核心源码 (43)致谢 (46)第1章绪论两轮自平衡系统最早可追溯到上世纪80年代,日本电气通信大学的山藤一雄教授提出的基于倒立摆原理的自动站立机器人的模型被认为是两轮自平衡小车的构思起源。
两轮自平衡小车的设计与实现一、本文概述随着科技的飞速发展,智能化、自主化已经成为现代机器人技术的重要发展方向。
两轮自平衡小车作为一种典型的动态稳定控制机器人,其设计与实现技术对于推动机器人技术的进步具有重要意义。
本文旨在深入探讨两轮自平衡小车的设计理念、实现方法以及关键技术,为相关领域的研究者和爱好者提供有益的参考。
本文将首先介绍两轮自平衡小车的基本概念和原理,阐述其动态稳定控制的基本思想。
随后,将详细介绍两轮自平衡小车的硬件设计,包括电机驱动、传感器选型、控制器设计等关键部分,并阐述各部件之间的协同工作原理。
在此基础上,本文将重点探讨两轮自平衡小车的软件实现,包括平衡控制算法、运动控制算法以及人机交互界面设计等。
本文还将对两轮自平衡小车的性能优化和实际应用进行深入分析,探讨如何提高其稳定性、响应速度以及续航能力等问题。
本文将对两轮自平衡小车的发展趋势和前景进行展望,为相关领域的研究和发展提供有益的参考。
通过本文的阐述,读者可以全面了解两轮自平衡小车的设计与实现过程,掌握其关键技术和应用方法,为推动机器人技术的发展做出贡献。
二、两轮自平衡小车的基本原理两轮自平衡小车,又称作双轮自稳车或双轮倒立摆,是一种基于动态稳定技术设计的个人交通工具。
其基本原理主要涉及到力学、控制理论以及传感器技术。
两轮自平衡小车的稳定性主要依赖于其独特的力学结构。
与传统三轮或四轮的设计不同,双轮自平衡小车只有两个支撑点,这意味着它必须通过动态调整自身姿态来维持稳定。
这种动态调整的过程类似于杂技演员走钢丝,需要精确的平衡和快速的反应。
实现自平衡的关键在于控制理论的应用。
两轮自平衡小车通常搭载有先进的控制系统,该系统通过传感器实时监测小车的姿态(如倾斜角度、加速度等),并根据这些信息计算出必要的调整量。
控制系统随后会向电机发送指令,调整小车的运动状态,以保持平衡。
传感器在两轮自平衡小车中扮演着至关重要的角色。
常见的传感器包括陀螺仪、加速度计和角度传感器等。
目录介绍 (4)准备 (4)所需产品 (4)文件列表 (4)1 基于模型设计 (5)1.1 什么是基于模型设计? (5)1.2 V模式设计 (6)1.3 MBD设计优点 (7)2 NXTway-GS 系统简介 (8)2.1 结构图 (8)2.2 传感器和执行器 (8)3. NXTway-GS 建立模型 (9)3.1两轮倒立摆模型 (9)3.2两轮倒立摆的运动方程 (10)3.3 两轮倒立摆的状态方程 (12)4. NXTway-GS 控制部分设计 (14)4.1控制系统 (14)4.2 控制器设计 (15)5.NXTway-GS 模型 (17)6.NXTway-GS 平台模型 (17)7.控制器模型(单精度浮点运算) (17)作者(首版本)Yorihisa YamamotoApplication EngineerAdvanced Support Group 1 Engineering Department Applied Systems First DivisionCYBERNET SYSTEMS CO., LTD.再版修改表版本日期描述作者1.0 29 Feb 2008 首版本yorihisa Yamamotoyorihisa Yamamoto1.1 3 Mar 2008 添加定点控制器处理模型更新软件yorihisa Yamamoto1.2 7 Nov 2008 修正运动方程修正控制的模型注释更新软件yorihisa Yamamoto1.3 28 Nov 2008 修正广义力学修正运动和状态方程添加仿真影像1.4 1 May 2009 修改文本Yorihisa Yamamoto介绍NXTway-GS是一种由LEGO MINDSTORMS NXT搭建的自平衡两轮机器人。
本文将简要介绍了其基于模型设计方法,左右平衡NXTway-GS的模型控制和在利用MA TALB / Simulink软体时主要内容包括以下几个方面内容。
两轮自平衡机器人的研究一、本文概述随着科技的不断发展,机器人技术已成为当今科技领域的研究热点之一。
其中,两轮自平衡机器人作为一种具有高度自主性和稳定性的机器人,其研究和应用受到了广泛关注。
本文旨在深入探讨两轮自平衡机器人的基本原理、技术特点、控制方法以及在实际应用中的挑战与前景。
本文将简要介绍两轮自平衡机器人的发展历程和现状,分析其在不同领域的应用价值。
接着,重点阐述两轮自平衡机器人的关键技术,包括传感器技术、控制算法、动力学建模等方面。
在此基础上,本文将探讨如何设计和实现一种稳定、高效的两轮自平衡机器人,并分析其在实际应用中可能遇到的问题和挑战。
本文还将对两轮自平衡机器人的未来发展趋势进行展望,探讨其在智能交通、物流运输、娱乐休闲等领域的应用前景。
通过本文的研究,旨在为相关领域的研究人员和爱好者提供有益的参考和启示,推动两轮自平衡机器人技术的进一步发展和应用。
二、两轮自平衡机器人基础理论两轮自平衡机器人,又被称为双轮自稳定车或自平衡电动车,是一种新型的个人交通工具。
其设计灵感来源于倒立摆的原理,通过复杂的电子系统和精密的机械结构,实现了无人驾驶下的动态平衡和稳定行走。
在理解两轮自平衡机器人的工作原理之前,我们首先需要了解几个核心的理论基础。
动力学模型:两轮自平衡机器人的动力学模型是理解其运动行为的基础。
它通常被简化为一个倒立摆模型,其中机器人被视为一个质点,通过两个轮子与地面接触。
这个模型需要考虑重力、摩擦力、电机扭矩等因素,以及机器人的姿态(如俯仰角和偏航角)和速度。
控制理论:为了保持平衡,两轮自平衡机器人需要实时调整其姿态和速度。
这通常通过控制理论来实现,特别是线性控制和非线性控制理论。
例如,PID控制(比例-积分-微分控制)被广泛用于调整机器人的姿态和速度,而模糊控制、神经网络控制等先进控制方法也被应用于提高机器人的稳定性和适应性。
传感器技术:传感器是两轮自平衡机器人感知环境和自身状态的关键。
两轮自平衡机器人控制系统设计与实现一、本文概述随着科技的发展,智能机器人技术正逐渐成为研究和应用的热点。
两轮自平衡机器人作为一种典型的移动机器人,具有结构简单、控制灵活等特点,广泛应用于工业、家庭和服务等多个领域。
本文旨在探讨两轮自平衡机器人的控制系统设计与实现,以期为相关领域的研究提供有益的参考。
本文将对两轮自平衡机器人的系统架构进行详细阐述。
包括机器人的硬件结构、传感器选型以及控制系统的软件框架。
接着,本文将重点分析两轮自平衡机器人的控制策略。
包括基于经典控制理论的PID控制方法,以及更先进的自适应控制、模糊控制等智能控制策略。
本文还将讨论两轮自平衡机器人在实际应用中面临的关键技术挑战,如动态平衡控制、路径规划、障碍物避障等,并提出相应的解决方案。
通过仿真实验和实际测试,验证所设计控制系统的有效性和稳定性。
本文将全面展示两轮自平衡机器人控制系统的设计与实现过程,为两轮自平衡机器人的研究和发展提供理论支持和实践指导。
二、自平衡机器人系统概述传感器系统:传感器系统用于检测机器人的状态,包括倾斜角度、角速度等。
常见的传感器包括加速度计、陀螺仪和编码器等。
这些传感器为控制系统提供了实时反馈,使得机器人能够快速响应外界变化。
控制系统:控制系统是自平衡机器人的核心部分,负责处理传感器采集到的数据,并控制机器人的动作。
控制系统通常采用闭环控制策略,如PID控制、模糊控制等,以实现机器人的稳定平衡。
执行器系统:执行器系统包括机器人的驱动轮和驱动电机。
控制系统根据传感器采集到的数据,通过调整电机的转速和转向,来控制机器人的运动,从而实现平衡。
通信系统:通信系统使得自平衡机器人能够与外部设备进行数据交换,如与计算机或其他机器人进行通信,实现更复杂的功能和应用。
能源系统:能源系统为自平衡机器人提供所需的电能。
通常,自平衡机器人采用充电电池作为电源,以保证机器人的长时间运行。
自平衡机器人在很多领域都有广泛的应用,如娱乐、教育、军事和科研等。
两轮自平衡机器人的研究两轮自平衡机器人作为一种具有挑战性的研究课题,已经吸引了国内外众多科研机构和企业的。
目前,研究者们在理论建模、控制算法设计、传感器融合等方面取得了显著的成果。
然而,在实际应用和商业化方面,两轮自平衡机器人的发展仍面临诸多挑战,如稳定性、续航能力、环境适应性等方面的问题。
两轮自平衡机器人的技术原理主要涉及动态控制算法、传感器技术和机械结构设计。
动态控制算法是实现机器人平衡的关键,包括基于模型的控制和无模型的控制。
传感器技术主要包括加速度计、陀螺仪和编码器等,用于实时监测机器人的姿态和位置信息。
机械结构设计则关系到机器人的稳定性和灵活性,涉及到轮子、电机、支架等多个部分。
两轮自平衡机器人具有广泛的应用前景,如机器人竞赛、医疗康复、建筑施工等。
在机器人竞赛方面,两轮自平衡机器人是各类竞赛的重要项目之一,涉及到机器人的速度、稳定性、灵活性等多个方面。
在医疗康复领域,两轮自平衡机器人可以辅助病人进行康复训练,提高康复效果。
在建筑施工领域,两轮自平衡机器人可以用于环境监测、地形勘测等方面。
随着科技的不断发展,两轮自平衡机器人的研究方向也将更加多元化。
未来,两轮自平衡机器人将朝着智能化、自主化和模块化的方向发展。
智能化将使得机器人具备更强的环境感知和决策能力,自主化则将提高机器人在复杂环境下的自适应能力,而模块化将为机器人的设计和应用提供更大的灵活性。
随着5G技术的普及,两轮自平衡机器人的远程控制和集群控制也将成为未来的研究热点。
两轮自平衡机器人作为机器人技术的一个重要分支,具有广泛的应用前景和挑战性。
本文对两轮自平衡机器人的研究现状、技术原理、应用领域及未来发展趋势进行了全面梳理。
目前,两轮自平衡机器人的研究已经取得了诸多成果,但仍存在诸多挑战性问题需要解决。
未来,研究者们需要不断探索新的理论和方法,以推动两轮自平衡机器人的发展,从而实现机器人在更多领域的应用价值。
在当今的高科技时代,智能机器人已经成为了人们的焦点。
两轮自平衡机器人平衡控制仿真与研究李世光;王文文;申梦茜;高正中【摘要】To solve the balance instability problem of the two-wheeled self-balance robot,this paper established a dynamics mathematical model of robot and designed a controller based on variable universe fuzzy-PID.With micro-controller ARM STM32F103 as its core,a hardware platform was built and the principle and method of controlling parameters for two-wheeled self-balance robot were described in detail to achieve the balance control of the two-wheeled self-balance robot system.The simulation results show that with faster response speed,higher regulating precision and strong anti-interference ability,the two-wheeled self-balance robot based on variable universe fuzzy-PID can improve the static and dynamic performance and robustness of the system.%针对两轮自平衡机器人的平衡不稳定问题,建立了机器人动力学数学模型,设计了一种基于变论域的模糊PID控制器,以ARM的微控制器STM32F103为核心,搭建硬件平台,详细阐述两轮自平衡机器人控制参数整定的原理和方法,实现了两轮自平衡机器人系统的平衡控制.仿真结果表明:基于变论域模糊PID控制的两轮自平衡机器人响应速度快、抗干扰能力强,能够更好的减小超调量,提高系统的动静态特性和鲁棒性.【期刊名称】《山东科技大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2016(035)006【总页数】6页(P76-81)【关键词】两轮自平衡机器人;数学建模;变论域;模糊PID【作者】李世光;王文文;申梦茜;高正中【作者单位】山东科技大学电气与自动化工程学院,山东青岛 266590;山东科技大学电气与自动化工程学院,山东青岛 266590;山东科技大学电气与自动化工程学院,山东青岛 266590;山东科技大学电气与自动化工程学院,山东青岛 266590【正文语种】中文【中图分类】TP242两轮自平衡机器人是移动机器人研究中的一个重要领域,因其运动灵活、适应地形变化能力强等特点,可胜任一些复杂环境的工作。
电子技术• Electronic Technology68 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering【关键词】两轮自平衡机器人 控制系统 设计两轮自平衡机器人的控制系统是实现两轮自平衡机器人的移动过程中保持平衡的关键系统,也是两轮自平衡机器人实现功能拓展与增加的基础与前提。
1 两轮自平衡机器人概述两轮自平衡机器人控制系统设计与实现文/刘静 肖家宝 王晓 钱雯两轮自平衡机器人是移动式机器人的一个重要分支,在近些年来实现了快速的发展突破,由于其在控制性、生产经济性、功能拓展性等方面都较其他的轮式机器人有较为明显的优势,因而一度成为轮式机器人控制研究领域的热点研究论题。
两轮式自平衡机器人的物理结构由两个车轮与机器人机身组成,车轮一般是由直流轮式电机与加装的功能及控制部件组成,机身多为连接两个车轮的长方体结构,机身下板固定安装机器人的控制系统及电池等电路设备,上板一般可以安装一些拓展性的功能模块,在机器人的行走移动功能的基础上再进行一定的功能拓展,使其具有更加丰富的功能,以拓展两轮自平衡机器人的适用范围与实用性。
两轮自平衡机器人的双轮结构决定了其的不稳定平衡性,在静止状态下将自平衡机器人放置在水平的地面上,机器人机身将向前或向后倾倒,无法实现机身平面的平衡,因此必须要通过机器人的平衡控制系统对两个车轮进行协调控制,以实现机器人机身的平衡。
2 自平衡机器人的平衡控制机理两轮自平衡机器人的机身平衡控制系统多为以单片机为计算系统的集成电路控制系统,通过安装在车轮位置的姿态传感器测量机身的倾斜角度,然后通过控制电路内核的单片机使用相应的算法对控制车轮转动的伺服电机输出相应的控制信号,进而使轮式电机产生与之对应的扭矩,从而实现机身的平衡。
自平衡机器人在控制系统不工作的状态下无法实现机身的平衡,因此机身会向前或向后倾倒,根据倾倒的方向与倾倒角度的大小判断机身的位置状态。
2023-10-28contents •引言•基于HJB方程的稳定流形方法•两轮自平衡车模型建立与描述•基于稳定流形方法的两轮自平衡车最优控制•结论与展望目录01引言1研究背景与意义23两轮自平衡车作为一种具有代表性的移动机器人,其运动控制问题一直是研究的热点和难点。
在复杂环境和未知路面上,两轮自平衡车需要实现快速、稳定、准确的运动控制,以提高其适应能力和鲁棒性。
基于HJB方程的稳定流形方法是一种有效的最优控制方法,能够为两轮自平衡车的运动控制提供新的解决方案。
03基于HJB方程的稳定流形方法作为一种先进的控制方法,还未见在两轮自平衡车的运动控制中应用的报道。
研究现状与问题01目前,针对两轮自平衡车的运动控制研究主要集中在传统的控制方法上,如PID控制、模糊控制等。
02然而,这些方法在面对复杂环境和未知路面时,难以实现快速、稳定、准确的运动控制,且鲁棒性较差。
研究内容与方法研究内容本研究旨在将基于HJB方程的稳定流形方法应用于两轮自平衡车的最优控制中,以提高其运动性能和适应能力。
研究方法首先,建立两轮自平衡车的动力学模型;其次,根据HJB方程和稳定流形方法,设计最优控制策略;最后,通过实验验证所设计控制策略的有效性和鲁棒性。
02基于HJB方程的稳定流形方法HJB方程简介HJB方程是动态规划理论中的核心方程,用于描述一个系统的最优控制问题。
HJB方程是一种偏微分方程,描述了最优控制策略的时间不一致性。
HJB方程在控制领域中广泛应用于解决最优控制问题。
010203稳定流形方法是基于动态系统稳定性的一种方法。
在动态系统中,稳定流形是吸引子的稳定状态,系统状态变量在稳定流形上变化缓慢。
稳定流形方法通过找到吸引子的稳定状态,为动态系统提供了一种有效的分析方法。
稳定流形方法的基本原理基于HJB方程的稳定流形方法的具体实现基于HJB方程的稳定流形方法是将HJB方程与稳定流形方法相结合,用于解决最优控制问题。
首先,需要建立系统的HJB方程;其次,通过稳定流形方法对HJB方程进行分析,找到最优控制策略。